Maximising Regenerative Energy Return from Dynamo-Motor Traction Drives in Solar PV-Powered Electric Vehicles for Long-Haul Operation with Strong Stability

La route vers un avenir plus propre pour le transport de marchandises lourdes est pavée d'un paradoxe difficile : les camions électriques ont besoin de batteries massives pour transporter des charges lourdes sur de longues distances, mais ces batteries ajoutent du poids qui réduit la quantité de cargaison que le camion peut transporter. Pour résoudre cela, les ingénieurs se tournent vers deux sources d'énergie gratuite qui accompagnent le véhicule : le soleil, capturé par des panneaux solaires sur le toit, et l'énergie cinétique du camion lui-même, qui peut être récupérée lorsque le véhicule ralentit ou descend une pente. Ce processus de récupération de mouvement est appelé freinage régénératif. Il fonctionne en inversant le moteur électrique afin qu'au lieu de pousser les roues, les roues poussent le moteur, transformant l'élan du véhicule en électricité pour la stocker dans la batterie. L'idée est simple et séduisante : si un camion pouvait capturer suffisamment de sa propre énergie gaspillée et suffisamment de lumière solaire, il pourrait éventuellement rouler éternellement sans avoir besoin de se brancher.

Cependant, les lois de la physique imposent des limites strictes à la quantité d'énergie pouvant être sauvegardée. Chaque fois que l'énergie change de forme — passant de la batterie aux roues, ou des roues vers la batterie — une petite quantité est perdue sous forme de chaleur. En raison de ces pertes inévitables, une machine ne peut pas simplement prendre de l'énergie d'une batterie, l'utiliser pour se déplacer, puis remettre exactement la même quantité dans la batterie. Pour que les calculs fonctionnent, une source d'énergie extérieure est nécessaire pour combler l'écart. C'est ici que la question devient critique pour l'avenir du fret : quelle proportion de l'énergie utilisée par un camion peut réellement être retournée dans sa batterie grâce à la combinaison de l'énergie solaire et du freinage régénératif ? Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Atlantic International University et de plusieurs autres institutions examine précisément cette question pour un camion électrique de longue distance, dépassant les affirmations optimistes pour trouver les chiffres réels qui régissent ce qui est physiquement possible.

Les chercheurs ont construit un modèle informatique détaillé d'un camion électrique lourd pesant 3 500 kilogrammes, conçu pour parcourir 450 kilomètres sur un itinère vallonné aux Émirats arabes unis. Ils ont équipé ce camion virtuel d'un réseau solaire couvrant 12,4 mètres carrés de son toit et d'un moteur électrique puissant capable de servir à la fois de propulsion et de générateur. L'équipe a ensuite simulé une journée complète de conduite, suivant chaque joule d'énergie que le camion a puisé dans sa batterie pour avancer et chaque joule qu'il a réussi à y réinjecter. Ils ont découvert que bien que le camion puisse effectivement récupérer de l'énergie, le montant était bien inférieur à l'énergie qu'il a consommée. Au cours du trajet de 450 kilomètres, le camion a nécessité 146,8 kilowattheures d'énergie pour surmonter la résistance de l'air, le frottement de roulement et les collines. Les panneaux solaires ont contribué à hauteur de 14,4 kilowattheures, et le système de freinage régénératif, qui a capturé l'énergie lors des descentes et des freinages, n'a restitué que 8,3 kilowattheures.

Lorsque les chercheurs ont additionné les contributions solaires et régénératives, le camion n'a récupéré que 15,5 % de l'énergie qu'il avait utilisée. Cela signifie que pour chaque 100 unités d'énergie dépensées par le camion, il n'en a récupéré qu'environ 15. L'étude écarte explicitement une notion populaire mais physiquement impossible : celle qu'un moteur connecté à l'arbre de transmission pourrait d'une manière ou d'une autre maintenir le véhicule indéfiniment en faisant recirculer sa propre énergie. Les chercheurs ont démontré que si un moteur tente de générer de la puissance pendant que le véhicule roule à une vitesse constante, il force en réalité le moteur principal à travailler plus dur, drainant la batterie plus rapidement que si le générateur n'était pas présent. La régénération ne fonctionne que lorsque le véhicule perd de l'énergie qui serait autrement gaspillée sous forme de chaleur dans les freins, comme lors d'une descente. Même dans ce cas, le système n'est pas parfait ; en raison des pertes dans les engrenages, le moteur et le processus de charge de la batterie, seulement environ 75 % de l'énergie capturée aux roues revient réellement dans la batterie.

Malgré ce faible pourcentage de récupération, les résultats montrent que ces systèmes ne sont pas inutiles. Sans les panneaux solaires et le freinage régénératif, le camion serait arrivé à destination avec sa batterie presque vide, atteignant un niveau qui endommagerait la santé à long terme de la batterie. Avec les systèmes de récupération actifs, le camion est arrivé avec suffisamment de charge restante pour être considéré comme sûr et opérationnel. La combinaison de la récolte solaire et de la récupération d'énergie a réduit l'énergie totale dont le camion avait besoin pour parcourir chaque kilomètre de 10,4 %. Cette petite amélioration a fait la différence entre un trajet impossible à terminer sans s'arrêter pour recharger et un trajet qui pouvait être achevé en une seule étape.

L'étude a également examiné la stabilité électrique du système d'alimentation du camion. Parce que le moteur électrique tire une quantité constante de puissance pour maintenir sa vitesse, il peut créer une instabilité dangereuse dans le circuit électrique, semblable à la façon dont une charge lourde peut faire vaciller ou tomber une ligne électrique. Les chercheurs ont découvert que sans un système de contrôle spécial, le réseau électrique du camion deviendrait instable et pourrait potentiellement échouer lorsque le moteur travaille intensément. En ajoutant un mécanisme d'amortissement virtuel — un ajustement mathématique dans le logiciel qui agit comme un amortisseur pour l'électricité — ils ont pu stabiliser le système, garantissant qu'il puisse gérer toute la gamme de conditions de conduite sans perdre le contrôle.

Enfin, les chercheurs ont demandé ce qu'il faudrait pour que le camion atteigne une neutralité énergétique totale, où l'énergie retournée est égale à l'énergie utilisée. Leurs calculs ont montré que cela est théoriquement possible, mais uniquement sous des conditions qui ne sont pas pratiques pour un camion commercial. Pour atteindre cet équilibre avec la taille actuelle des panneaux solaires, le camion devrait rouler à une allure de marche de seulement 10,8 kilomètres par heure, transformant un voyage de longue distance en un périple de plusieurs jours. Alternativement, pour rouler à une vitesse normale d'autoroute de 80 kilomètres par heure, le camion aurait besoin d'un toit solaire couvrant 91 mètres carrés, soit plus de sept fois la taille du véhicule réel. L'étude conclut que, bien qu'un camion électrique auto-suffisant ne soit pas un objectif réaliste pour le fret de longue distance, la combinaison de l'énergie solaire et du freinage régénératif offre un avantage concret et réel : elle prolonge l'autonomie suffisamment pour rendre les longs trajets réalisables sans arrêts de recharge intermédiaires, transformant une impossibilité théorique en un gain d'ingénierie pratique.